鐵礦區(qū)土地破壞評價及治理對策研究

馮宇，王瑾*，畢如田，呂春娟

(山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

摘要：為量化識別露天采礦造成的土地破壞，提高礦區(qū)生態(tài)退化修復的有效性，以垣曲縣國泰公司鐵礦區(qū)為例，提出基于小尺度合理有效修復礦區(qū)環(huán)境的方法。結合現(xiàn)狀調查，將研究區(qū)土地劃分為7種類型(開采地、尾礦庫、排棄場、裸地、草地、林地及廠房占用地)，通過主成分分析確定土地破壞程度。結果表明：礦區(qū)土地中度和高度破壞比例高達27.21%和46.91%；未經復墾的裸露地塊土地破壞程度較大，破壞后采取復墾措施的地塊土地破壞程度一般，林地土地破壞程度最小，但仍有破壞危險。結合自然地理條件分析各地塊損毀原因，研究結果可為礦區(qū)環(huán)境修復與生態(tài)礦建設提供參考。

關鍵詞：土地類型；土地破壞評價；治理對策；露天鐵礦區(qū)

收稿日期：2015-08-04修回日期：2015-09-13

作者簡介：馮宇(1989-)，男(漢)，山西晉城人，碩士，研究方向：土地信息技術

通訊作者：*王瑾，副教授，碩士生導師。Tel:0354-6289483；E-mail: sxauwj@163.com

基金項目：山西農業(yè)大學博士科研啟動項目(412576)；山西農業(yè)大學博士后研究項目(614144)；山西省科技廳科技惠民計劃項目(2013121005)

中圖分類號：F301.24文獻標識碼：A

Evaluation of Land Damage and Countermeasures in Iron Mining Region

Feng Yu, Wang Jin*， Bi Rutian, Lv Chunjuan

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Abstract:In order to quantify the land damage caused by open pit mining and improve the effectiveness of ecological restoration in mining area, a method for the reasonable and effective remediation of the mine environment was proposed based on the small scale and reasonable effective restoration of the Guotai iron mining area in Yuanqu county.By present situation investigation, we divided the land of study area into seven types: mining land, tailing pond, waste disposal site, bare land, grassland, shrub land and construction land, analyzed the land destruction degree of every plot by principal component analysis (PCA). The result showed that the area proportion of moderate damage land and severe damage land were 27.21% and 46.91%. Besides, the land damage degree of bare plots without reclamation measures was the highest, of damaged plots with reclamation measures was higher, and of shrub plots was the lowest which still remain dangerous. Analysis of the causes of damage to the land by the natural geographical conditions, the research can provide a reference for the environmental restoration and ecological mining in mining areas.

Key words:Land types; Land damage evaluation; Countermeasures for reclamation; Open pit iron mining region

鐵礦山采掘量、排棄量大，對生態(tài)環(huán)境擾動巨大[1]，生產過程易引發(fā)區(qū)域內不同程度的土地破壞，且作用過程復雜，同時帶來廢水、粉塵及重金屬污染物[2]。礦區(qū)廢棄地復墾及污染物處理需要依靠生態(tài)修復，但我國復墾率較國外仍有差距[3～5]。采礦嚴重影響區(qū)域環(huán)境質量及可持續(xù)發(fā)展，對礦區(qū)進行土地破壞評價對于保護土地資源，實現(xiàn)礦區(qū)經濟轉型具有重要意義。

礦區(qū)土地破壞評價是對礦山土地質量變化程度的評價[6]，國內不少學者對礦區(qū)土地破壞進行了評估：針對礦區(qū)不同類型土地進行的研究，如對塌陷地、耕地損毀程度的評價[7～10]；針對土地破壞評價方法的研究，常用的有極限條件法[11]、模糊綜合評價法[6,12]、基于GIS的統(tǒng)計學[9]及基于可拓分析的數學方法[13]等；對土地破壞評價的指標選取研究，主要考慮的因素包括地質條件方面[14]、土壤環(huán)境[15]和生態(tài)等方面[2,13]。礦山開采損毀土地基本表現(xiàn)為煤礦山多于其他礦山[16]，且研究集中于較大尺度、分布集中的礦區(qū)[17，18]，對小尺度、布局分散礦區(qū)的研究較少。

本文通過對礦區(qū)土地破壞程度的評價與分析，旨在揭示小尺度礦區(qū)土地損毀的關鍵因素，為防治土地進一步破壞，緩解鐵礦對周邊環(huán)境影響提供借鑒。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

國泰礦業(yè)集團研究區(qū)位于山西省運城市垣曲縣境內(閆家池鐵礦區(qū)，西園磨選廠，李家窯干排尾礦場)(圖1)，總面積1.72 km2。閆家池鐵礦生產規(guī)模10萬噸·年-1，資源儲量175.6萬噸，平均含鐵量為13.61%，礦區(qū)主要進行礦石開采與粗選；西園磨選廠位于垣曲縣城東南，主要進行鐵礦細選與磁選，并形成面積較大的尾礦庫；李家窯干排尾礦場采取干排方式，降低了潰壩風險，但仍大量占用土地。礦區(qū)多處在黃土丘陵溝壑區(qū)，較易發(fā)生水土流失；由于鐵礦分布多而散、礦石品位不高，多年開采破壞土地資源，形成了較大規(guī)模的廢棄地。目前，國泰礦業(yè)集團土地破壞影響的面積達1.12 km2，占礦區(qū)總面積的69.1%。

圖1　研究區(qū)地理位置圖 Fig.1　Location of study area

1.2研究方法

1.2.1研究區(qū)土地利用類型劃分

礦區(qū)損毀土地可以按損毀地類型、損毀方式、損毀原因等分類[19]。通過實地調查，結合露天鐵礦生產特點及土地利用情況，將研究區(qū)土地類型劃分為開采地、尾礦庫、排棄場、裸地、草地、林地、廠房占用地7種類型；并將各地塊單元進行編號。礦區(qū)各類土地基本情況見表1和圖2。

表1露天鐵礦區(qū)土地利用結構及說明

Table 1Land use structure and explanation in open pit mining region

土地分類Landtype面積/km2Are/km2百分比/%Percentage/%涉及圖斑號Spotnumber開采地0.20812.1214,22尾礦庫0.53331.066,28,29,31排棄場0.23813.872,15,21,23,32廠房占用地0.0955.547,9,11,12,30裸地0.1126.5316,20,26草地0.0754.373,13,17,25林地0.45526.521,4,5,8,10,18,19,24,27總計1.716100.00

注：6為未閉庫尾礦庫；29,31為初步復墾的閉庫尾礦；28為復墾后尾礦壩體；2,15,21,23均為廢石堆；32為干排尾礦堆；9為礦區(qū)辦公地；7,11,12,30均為磨選廠地。

Note: Plot number 6 is the applying tailing pond. Plot 29, 31 are the closed tailing pond that had preliminary reclamation measures. Plot 28 is the tailing pond dam. Plot 2, 15, 21, 23 are all waste rock piles. Plot 32 is the dry-type discharge piles. Plot 9 is the construction area. 7, 11, 12, 30 are the areas for ore grinding and separation.

本研究通過現(xiàn)場踏勘、采土(表層土0～25 cm)、進行礦區(qū)土壤、植被、地形、地貌等典型調查；通過主成分分析法評估研究區(qū)土地破壞程度，并利用SPSS和ArcGIS軟件分別進行數據分析與制圖。收集數據資料包括露天鐵礦區(qū)工程CAD圖、《閆家池礦區(qū)環(huán)境影響評價報告》(2006年)、《閆家池礦區(qū)水土保持方案》(2008年)等。

1.2.2研究區(qū)土地破壞程度評價方法

(1)評價因子選擇及評價等級標準

基于露天金屬礦土地損毀類型，遵循因子選取普適性強、數量少、便于直接獲得和應用的原則，考慮地形、地表狀況、損毀、植被4種類型作為土地破壞程度的評價因素(表2)。

(2)評價模型構建

以鐵礦區(qū)的32個地塊為樣本，以表2中的7個指標的標準化數據為變量構建矩陣，得出矩陣的特征根和相應的方差貢獻率，選擇主成分后得到因子提取結果和因子回歸系數，根據因子回歸系數計算各地塊因子得分，公式為[20]：

(1)

圖2　鐵礦區(qū)土地分類圖 Fig.2　Land types in iron mining region

破壞類型Damagetype影響因子Impactfactor無影響(1)Noimpact輕度(3)Mildimpact中度(5)Moderateimpact高度(7)Highlyimpact重度(9)Severeimpact地形條件地表狀況土地損毀狀況植被條件坡度/°≤5°5°～10°10°～20°20°～30°≥30°土壤pH6.5～7.56.0～6.5或7.5～8.05.0～6.0或8.0～8.54.5～5.0或8.5～9.0≤4.5或≥9.0地表物質組成基巖粘質土土石砂礫尾礦壓占高度/挖損深度/m0≤11～55～10≥10裂縫寬度/cm00～11～55～10≥10植被類型喬灌混合喬木灌木草地裸地植被覆蓋率/%≥6045～6030～455～30≤5

(2)

(3)

(4)

式中：Pij為標準化以后的數值；Xj為第j個指標的算術平均值；j為樣本標準差；Aik為第i個地塊第k個主成分的因子得分；Wj為第j個指標的因子回歸系數；Bk為所選用主成分的方差貢獻率；Si為樣本綜合因子得分；Fi為第i個地塊的主成分百分制得分；Smax為地塊主成分綜合得分的最大值；Smin為地塊主成分綜合得分的最小值。

結合本文研究區(qū)域的得分特點，通過專家征詢和意見反饋確定礦區(qū)土地破壞程度劃分標準(表3)。

表3礦區(qū)土地破壞程度分級

Table 3The division standard of land damage degree in mining area

綜合得分區(qū)間Comprehensivescoreinterval破壞等級Damagedegree包含的地塊Plotscontained0無影響8,271～30輕度破壞1,4,5,10,17,18,1930～60中度破壞3,7,9,12,13,15,20,21,24,25,28,29,3060～100高度破壞2,6,11,14,16,22,23,26,31,32

2結果與分析

SPSS軟件處理數據進行Bartlett球度檢驗，結果相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.05，證明適合于因子分析；然后得出矩陣的特征根和相應的方差貢獻率。特征值>0.5的主成分有4個，累計貢獻率即主成分包含原變量信息87.68%>85%，取前4個主成分。主成分F1、F2、F3、F4在各變量上的載荷矩陣見表4；根據載荷矩陣，進一步計算特征向量矩陣，見表4。

表4　主成分在各變量上的載荷數及特征向量矩陣

根據表4得到主成分綜合模型F的表達式：F=0.014X1+0.333X2+0.281X3+0.09X4+0.167X5+0.247X6+0.25X7；根據F表達式，得到各地綜合評價結果見表5。

表5　各地塊綜合評價得分

由表3可知，得分最高的地塊32為李家窯干排尾礦庫圖斑，其土地破壞程度最高；得分最低為地塊8和27，土地幾乎未受采礦活動影響；此外，各破壞等級下的土地面積比例情況見表6。綜合分析和制圖得到礦區(qū)的土地破壞程度等級分布(圖3)。

表6　不同地類土地破壞程度統(tǒng)計表

從表6中可以看出，高度破壞面積比例達到46.91%，其中，尾礦庫面積最大，達0.279 km2，排棄場和開采地面積分別占0.201 km2和0.208 km2；中度破壞面積占27.21%，仍是尾礦庫面積最多0.254 km2。總體來看，中度、高度破壞的土地占研究區(qū)總面積的74.12%；其中，尾礦庫、排棄場和開采地占到中度和高度破壞面積的約77%。說明造成礦區(qū)土地破壞的首要原因是壓占和開采，尾礦庫、廢礦堆以及開采場地應成為礦區(qū)治理的重點區(qū)域。

總之，造成鐵礦區(qū)土地破壞的因素較多，作用過程復雜，生態(tài)修復過程中要全面考慮。將研究區(qū)地形、地表狀況、損毀條件、植被等條件下各因子綜合賦值，得到不同自然地理因素分值圖(圖4)，結合圖4和綜合評價結果，對造成當地鐵礦區(qū)土地破壞原因進行分析。

2.1地形條件對露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

地形因素在主成分評價中綜合模型系數為0.014，說明地形因素對土地破壞并不是主要因素。如地塊10與地塊25，平均坡度相差不大，但綜合得分仍有差異(得分18.44和37.07)；又如地塊5和地塊18同樣是坡度條件相似，得分仍有差異。造成差異的主要原因是地塊10與25的植被類型有差異，地塊5和18的地表物質組成差異。

圖3　土地破壞程度綜合評價圖 Fig.3　The comprehensive evaluation figure of land damage degree

圖4　不同條件分值圖 Fig.4　The score of different conditions 注：(a)地形條件分值圖　(b)地表狀況分值圖　(c)損毀條件分值圖　(d)植被條件分值圖 Note：(a) the score of terrain condition　(b) the score of surface condition　(c) the score of damage condition　　(d) the score of vegetation condition

在研究區(qū)部分地區(qū)，坡度較大，地貌屬侵蝕低山類型。植被破壞后，表土缺少保護，坡度大的地方較易造成水土侵蝕。此條件下土地損毀后，若不及時采取復墾措施，較易發(fā)生水土流失和重金屬遷移帶來的土壤污染等問題。

2.2地表狀況對露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

土壤pH和地表物質組成兩個指標的綜合權重為0.614，對土地破壞的影響作用較大。在基質條件較差地塊，如礦區(qū)尾礦堆(地塊15、23)，雖然進行了部分復墾措施(栽植刺槐、播撒草籽等措施)，但是得分為53.33和60.11，屬于中度破壞。采礦活動不同環(huán)節(jié)的排棄與堆放，形成了同一礦區(qū)當中不同基質條件的現(xiàn)象；同時，鐵礦區(qū)土壤易受廢水、廢氣等影響，過酸或過堿都不宜生長植物，缺乏植物保護，則進一步引發(fā)水土流失、滑坡等災害。

2.3開采破壞對露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

開采采取爆破與機械作業(yè)的方式進行，表土剝離與挖掘對山體的破壞是劇烈且不可逆的。研究區(qū)內的山體大多挖損深度在10 m以上，部分地區(qū)可達50 m。與采掘深度相同，采礦活動的壓占對原有土地的破壞也是巨大的，壓占面積和高度都是評判土地損毀的重要指標。

2.4植被條件對露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

植被條件直接決定了地塊綜合得分的高低。以地塊16和24為例，兩地塊除植被指標外其他各指標均相似，均屬礦區(qū)內原有地貌類型，山體多石，地形起伏較大，未經挖損或壓占。但由于地塊24植被覆蓋度較高，植被種類較豐富，破壞程度較地塊16小，地塊24得分54.03(中度破壞)，地塊16為71.85(高度破壞)；植被條件評價結果有這樣的規(guī)律：植被類型多樣、覆蓋度高的區(qū)域土地破壞的風險大大降低。在采礦區(qū)，原有林地植被類型多樣，喬灌草結合，不易發(fā)生土地破壞，且通常在已復墾區(qū)域內，復墾植被增加了土地覆蓋度，降低了水土流失發(fā)生率；而在植被覆蓋度較低和植被類型較單一的區(qū)域(如僅有灌木或僅有草地的地塊)較易發(fā)生土地破壞。

3討論與結論

1)針對露天鐵礦區(qū)地形、開采條件、地表物質組成及植被條件等多因素相互作用的情況，鐵礦區(qū)復墾措施也應當是多種手段配合使用。改善當前較差土壤條件可以通過客土調節(jié)、添加石灰、微生物修復等措施；對開采破壞的土地，堆放廢石應注重科學性，合理規(guī)劃與布置、及時覆土、栽植；尾礦庫壩體要定期進行加固和監(jiān)測，防止?jié)?；采取植物生態(tài)修復措施，要考慮植物的抗逆性、適應性以及協(xié)調性，遵循當地自然規(guī)律，注重喬、灌、草植物群落的組合，增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)做到科學復墾，降低修復成本，需要找到鐵礦土地分異的關鍵因素。排棄所產生的廢石堆與尾礦庫是鐵礦區(qū)復墾的主要對象。鐵礦廢石堆放要遵循開采時序和注重堆放層次，合理布置排土場、廢石堆。應當避免粗選尾礦與土石的混合排放，可根據土石粒徑分離土壤和礦石，節(jié)約山區(qū)礦本就稀缺的土地資源；當前，尾礦庫干排處理技術大大降低了濕排工藝尾礦庫潰壩的風險，積極探索干排尾礦再利用的新途徑(如燒制磚瓦、工程墊填等)，是促進資源集約與環(huán)境友好型綠色礦山建設的根本方略。

綜合以上分析，尾礦庫、廢礦堆和開采場成為造成垣曲縣露天鐵礦土地破壞的罪魁禍首，不及時采取復墾措施只會讓土地進一步破壞并大大增加后期復墾成本。垣曲縣離真正意義的“生態(tài)縣”還存在現(xiàn)實的差距，對礦區(qū)破壞土地進行科學分類，是高效地采取復墾措施的前提，在采礦企業(yè)采用先進、適合當地的生態(tài)修復措施也成為當前最主要的任務。

參考文獻

[1]周連碧.我國礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建的研究與實踐[J].有色金屬,2007,59(2):90-94.

[2]王超,畢君.金屬礦山廢棄地類型劃分與生態(tài)退化特征[J].環(huán)境保護科學,2012,38(1):41-44.

[3]胡振琪,龍精華,王新靜.論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復、自然修復和人工修復[J].煤炭學報,2014,39(8):1751-1757.

[4]Bradshaw A D. Restoration ecology as a science [J].Restoration Ecology, 1993, 1(2):71-73.

[5]Vranken L,Turnhout V P, Eeckhaut V D M, et al. Economic valuation of landslide damage in hilly regions: A case study from Flanders, Belgium [J]. Science of the Total Environment, 2013, 447:323-336.

[6]李發(fā)斌,李何超,周家云.礦山土地破壞程度評價方法研究[J].采礦技術,2006,6(2):25-28.

[7]趙艷玲,黃琴煥,薛靜,等.礦區(qū)土地復墾方案編制中土地破壞程度評價研究[J].金屬礦山,2009(5):161-163.

[8]文學菊,周家云,朱創(chuàng)業(yè).礦山土地破壞程度評價——以攀枝花市花山煤礦為例[J].山地學報,2006, 24(3):378-384.

[9]陳秋計.基于GIS的煤礦區(qū)土地損毀程度評價研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013,33(4):77-80.

[10]蔣知棟,李晶,高楊,等.基于改進灰色聚類模型的礦區(qū)耕地損毀程度評價[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2013,21(6):765-771.

[11]王世東, 郭徵, 陳秋計,等. 基于極限綜合評價法的土地復墾適宜性評價研究與實踐[J]. 測繪科學, 2012, 37(1):67-70.

[12]劉貴生,李明,王旭,等.基于模糊綜合評價的露天礦土地破壞程度分析[J].露天采礦技術,2013,12:76-78.

[13]金洪波, 張世文, 黃元仿. 可拓理論在礦區(qū)土地破壞程度評價中的應用[J]. 巖土力學, 2010, 31:2704-2710.

[14]冀紅娟,楊春和,張超,等.尾礦庫環(huán)境影響指標體系及評價方法及其應用[J].巖土力學,2008,29(8):2087-2091.

[15]余光輝,張勇,張卓,等.有色金屬礦尾礦庫和廢石場土壤安全評價及復墾措施——以郴州市宜章長城嶺鉛鋅多金屬礦為例[J].水土保持通報,2010,30(3):233-236.

[16]程宏偉,李想.我國礦產資源產業(yè)區(qū)域差異分析[J].資源與產業(yè),2008,10:54-59.

[17]周妍,周偉,白中科.礦產資源開采土地損毀及復墾潛力分析[J].資源與產業(yè),2013,15(5):100-107.

[18]周家云,李發(fā)斌,朱創(chuàng)業(yè).四川省待復墾礦山分類及復墾對策研究[J].金屬礦山,2005,8:63-66.

[19]曹銀貴,白中科,劉澤民，等.安太堡露天礦區(qū)土地類型變化研究[J].西北林學院學報,2007,22(2):44-48.

[20]馬慶國.應用統(tǒng)計學:數理統(tǒng)計方法數據獲取與SPSS應用[M].北京：科學出版社，2005:235-241.

(編輯：馬榮博)